甘油基聚乳酸的合成、静电纺丝成型及其载药性能的研究

摘要

聚乳酸（PLA）材料用于生物医药领域经历了大量的研究与长期的检验，具有低毒性、代谢产物内源性、热塑性能力强等优良性能，在药物载体、临床手术修补材料、组织替代品与生物3D打印领域均有广泛的用途。近年来，静电纺丝及其辅助技术发展迅速，静电纺丝体作为组织工程支架具有形貌可控、比表面积大、孔隙率高等特点，静电纺丝纤维形成的毡状物（mat）有效模拟了细胞的担体组织，为细胞生长、繁殖提供了优良环境，可以形成体内、体外组织培养、愈合、生长的良好辅助物。聚乳酸在静电纺丝技术领域内的应用又拓宽了其作为载药组织工程支架或药物释放载体的应用前景。然而，PLA静电纺丝体存在有亲水性差、载药能力弱、控制释放性能不明确、纤维精准控制难度高等问题，限制了聚乳酸静电纺丝体的发展与应用。本论文合成了三臂聚乳酸（3-arm PLA）与磷酸甘油基聚乳酸（GP-PLA），对这两种PLA进行不同形貌静电纺丝体的制备，对3-arm PLA与GP-PLA静电纺丝体形貌控制条件进行了研究，并负载不同的模型药物进行载药能力、释放性能、抑菌能力等研究。具体内容与创新成果包括： （1）以甘油和甘油磷酸钠为支化剂，采用一锅法合成了3-arm PLA与GP-PLA。详细研究了反应催化剂、反应物配比、反应时间对合成反应的影响，探索了不同分子量与分子量分布的PLA合成工艺条件，表征了3-arm PLA与GP-PLA的热力学性能、结晶程度、介电能力与材料表面特性。通过控制反应条件，3-arm PLA的质均分子量（Mw）可以达到1000kDa，平均分子量分散性指数（PDI）在1.7以下，GP-PLA的Mw可达到800kDa，平均PDI在1.8以下。通过分子凝胶色谱（GPC）监测了催化剂、反应物配比、反应时间对不同产物的影响，发现在反应条件中，反应时间对共聚物分子量及PDI的影响较大，辛酸亚锡（Sn(Oct)2）催化剂对“分子手臂”存在一定的剪切作用，随反应时间的延长，具有显著的平均化分子量作用。所制备的3-arm PLA与GP-PLA具有与线形PLA（Linear PLA）不同的性能，材料表面粗糙度排序为Linear PLA＞GP-PLA＞3-arm PLA，静态水接触角GP-PLA与3-arm PLA可达到80°，具有较为良好的亲水性。结晶度Linear PLA＞GP-PLA＞3-arm PLA，材料的玻璃化转变温度（Tg）排序为Linear PLA＞GP-PLA＞3-arm PLA，测量表观介电常数排序为3-armPLA＞GP-PLA＞Linear PLA，力学性能排序为Linear PLA＞GP-PLA＞3-arm PLA。 （2）筛选了适合Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA的溶剂。通过纺丝溶液粘度、静电场电压、纺丝溶液推注速度、电场间距和温度等条件的筛选，确定了适合PLA的稳态射流条件。将双氯芬酸钾（Diclofenac potassium）、阿维菌素（Avermectins）和伊维菌素（Ivermectin）分别作为模型药物用于Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA的纤维、微球载药与释放，详细讨论了负载模型药物的各种PLA载药能力与释放特征，探索了适合描述静电纺丝骨架型载药纤维、载药微球的释放模型。经过扫描电子显微镜（SEM）表征与体外溶出实验发现，3-arm PLA静电纺丝纤维骨架对药物的分散程度高于Linear PLA与GP-PLA，体外释放中3-arm PLA骨架的缓释能力更强；3-arm PLA双氯芬酸钾载药微球药物释放度低于Linear PLA。3-armPLA阿维菌素载药微球释放度小于其纤维释放度，而GP-PLA负载阿维菌素微球具有较大的体外释放度。在Weibull模型的基础上推导了描述静电纺丝纤维与微球的释放速率衰变的方程，对释放速率数据进行拟合，并利用Higuchi模型对体外累积溶出曲线进行拟合。实验与拟合方程发现静纺体的释放由吸附的普通药物速释释放与骨架型药物缓释组成，3-arm PLA具有更强的药物缓释性能，其释放过程中突释效应较低，Linear PLA与GP-PLA释放接近普通速释，释放过程中突释现象明显。3-arm PLA与GP-PLA均具有伊维菌素的光保护能力，制备的伊维菌素载药微球可避免光催化反应对伊维菌素的降解作用。 （3）控制静电纺丝条件制备了Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA的多孔纤维与微球，形成二级孔洞的纤维mat。详细研究了符合热致相分离机制中呼吸图（Breath figure）效应的不同溶剂系统、环境湿度变化对多孔纤维、多孔微球形成性的影响，以纤维、微球直径统计说明静电纺丝工艺的稳定性，研究以银离子（Ag+）为模型药物，对Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA的多孔纤维进行Ag+的吸附式载药，制备得到Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA的Ag+负载纤维膜与微球。静电纺丝体对在制备过程中发现，电纺湿度与PLA材料的亲水程度对Breath figure效应引起的PLA相分离有一定的影响，Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA在一定湿度下制备得到的多孔纤维形貌具有明显的差异性，通过调节湿度与溶剂配比，可以控制纤维二级孔洞的形貌与数量。在溶剂中添加N，N-二甲基甲酰胺（DMF）与二甲基亚砜（DMSO）可加强相分离作用，制备孔隙较深的多孔纤维。通过X射线光电子能谱（XPS）表征Ag+的价态及定性表征负载程度发现，Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA纤维负载Ag+过程均不引起Ag+的还原，Ag负载量与纤维的材质与形貌有对应关系，与纤维二级孔洞的对应关系较弱。3-arm PLA在乙醇-氯仿溶剂中可制备得到分散度高的多孔微球；Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA制备的微球同样对Ag+具有负载性；微球吸附负载Ag+的程度高于相同材料的多孔纤维。以大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）为指示菌进行平板抑菌能力测试，结果表明，Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA的Ag+多孔纤维及多孔微球均具有广谱抗菌性，3-arm PLA与GP-PLA的Ag+多孔纤维与微球抑菌性高于Linear PLA。 （4）提出珠射流法制备超细纤维的机理，并探索了珠射流法的工艺，在实验表征的基础上，结合Linear PLA、3-arm PLA与GP-PLA的热性能与结晶性分析，筛选了3-arm PLA与GP-PLA形成超细纤维mat的条件，详细研究了不同溶剂系统及环境湿度对消除超细纤维mat中的珠状微球节点的影响。最终得到直径为40~100nm的3-arm PLA超细纤维mat和直径为200~500nm的GP-PLA，3-arm PLA超细纤维mat中的珠状节点被控制在1~3μm范围内。通过力学性能表征发现，制备超细纤维提高了纤维mat的断裂伸长率。用超细纤维对木醋杆菌(Acetobacter xylinum)菌悬液进行过滤并再培养，发现木醋杆菌可进入普通纤维mat的一级孔道并生产细菌纤维素，而不能进入超细纤维mat的一级孔道形成生长。 通过本课题的研究，揭示了形成高分子量3-arm PLA与GP-PLA的工艺条件及其结构对表面亲水性能影响的机理，骨架型静电纺丝药物载体的负载与释放性能，多孔形貌纺丝体及吸附型药物负载的影响因素，并形成了新的超细纤维制备方案。为形成高分子量亲水PLA材料、载药组织工程支架、载药微球、Ag+抑菌敷料、隔菌敷料或新型包装等提供了新的制备方案与思路。

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